電化學窗口

電化學窗口（英語：Electrochemical Window）是指物質在不發生氧化還原反應的電極電位範圍。電化學窗口是電化學應用中溶劑和電解質最重要的特性之一。電化學窗口通常用於表示電位範圍和電位差，通過從氧化電位（陽極極限）中減去還原電位（陰極極限）計算。^[1]

當所討論的物質是水時，通常稱之為水窗口。

這個範圍對電極的效率至關重要。在這個範圍之外，電極會與電解質反應，而不是推動電化學反應。^[2]

理論上，氨的電化學窗口非常小，但在電化學窗口外1 V以內的熱力學有利反應非常緩慢。因此，許多實際反應的電化學窗口要大得多，甚至與水的電化學窗口相當。^[3]離子液體因其電化學窗口非常大，通常約為4–5 V而聞名。^[4]

重要性

電化學窗口（EW）是有機電合成和電池設計中的一個重要概念，尤其是在有機電池中。^[5]這是因為在較高電壓（大於4.0 V）下，有機電解質會分解，並干擾有機陰極/陽極材料的氧化和還原反應。因此，最佳的有機電解質應具有較寬的電化學窗口，即大於電池單元電壓的工作範圍。^[6]例如，商業化的雙(三氟甲基磺酰)氨基鋰（LiTFSI）的電化學窗口約為3.0 V，因為它可以在1.9-4.9 V的範圍內工作。^[7]另一方面，具有窄電化學窗口的電解質易於發生不可逆分解，^[8]進而導致電池在後續循環中容量衰減。

有機電解質的電化學窗口受許多因素的影響，包括溫度、分子前沿軌道（如LUMO（最低未占分子軌道）和HOMO（最高占據分子軌道）），因為還原（電子獲得）和氧化（電子失去）的機制是由HOMO與LUMO之間的帶隙決定的。^[9]溶劑化能在定義電解質電化學窗口方面也起着重要作用。^[10]

為了確保在給定電解質中電極材料的熱力學穩定性工作條件，電極材料（陽極和陰極）的電化學電位必須包含在電解質的電化學穩定性範圍內。^[11]這個條件非常簡潔，因為當陰極材料的電化學電位低於電解質的氧化電位時，電解質可能會發生氧化；當陽極材料的電化學電位遠高於電解質的還原電位時，電解質會通過還原過程降解。^[12][13]

局限性

電化學窗口（EW）在預測電解質對陽極或陰極材料穩定性時的一個缺點是忽略了電壓和離子導電性，而這兩者也同樣重要。^[14]